CN101534082A - 具有再生功能的伺服放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有再生功能的伺服放大器，能够避免为应付再生电能而设置过多容量，从而实现了装置的体积缩小、成本降低、以及能量节省。这种伺服放大器用来驱动机器人的伺服电机以便使用来自电源的电能执行操作。这种伺服放大器包括与电源相连的可变化的变流器以及与变流器和伺服电机电连接的多个逆变器。可变化的变流器基于机器人所执行的操作的条件，选择性地作为具有将伺服电机中产生的再生电能返回到电源的再生功能的变流器或是具有通过电阻放电再生电能的再生功能的变流器。

Description

具有再生功能的伺服放大器

技术领域

本发明涉及一种用来驱动伺服电机的伺服放大器，尤其涉及一种选择性地具有将伺服电机中产生的再生电能返回到电源的功能的伺服放大器。

背景技术

在驱动地控制机器人、机床以及制造机器等的相应轴上的电机(motor)的驱动控制器中，已经使用了伺服放大器，伺服放大器可将商业交流电流变流成直流电流并且随后又将直流电流逆变成用来驱动电机的合适频率下的交流电流，从而控制各个轴的角速度。

图6示意性地描绘了在JP 2004-23956A中公开的用来驱动机器人的控制轴上的电机的伺服放大器。用作伺服放大器的电机驱动设备10包括交流电流/直流电流(AC/DC)变流部(变流器)11和多个直流电流/交流电流(DC/AC)逆变部(逆变器)12-1、...12-n，其中数字“n”对应于接受控制的机器人30的控制轴(电机)的数量。逆变器12-1至12-n都被连接到机器人30的各个轴上的电机。变流器(converter)是一种用来将由电源提供的交流电流的电能变流成直流电流的电能的设备，逆变器(inverter)是一种用来将直流电流的电能逆变成交流电流的电能的设备。

进一步，还具有用来分别驱动连接到机器臂的腕部上的点焊机的伺服焊枪的伺服电机31a和31b、以及作为机器人30的外围设备的用来传送并且定位机器人30的操作对象的定位器。伺服电机31a、31b的逆变器20a、20b都通过接口14电连接到变流器11并且变流器11向逆变器20a、20b提供直流电流。

逆变器20a和20b都通过伺服放大器10中设置的接口13连接到伺服控制器(未示出)，并且从伺服控制器接收控制信号S1和状态信号S2/将控制信号S1和状态信号S2发送到伺服控制器。

在上述的伺服放大器中，根据所要驱动的电机的规格来确定逆变器的规格。然而，由于伺服电机的加速/减速的频率以及施加到伺服电机上的负载量会随着机器人的使用条件的变化而变化很大，因此固定不变地设定关于再生功能的类型和容量的变流器规格是不合适的。

在具有将伺服电机中产生的再生电能返回到电源的再生功能(之后称为电源返回类型的再生功能)的变流器中，需要具有用来防止再生电能造成变流器中的晶体管毁损的设置以及用来防止再生电能对电源产生不期望的影响的设置。

如图7所示，在具有通过电阻放电再生电能的再生功能(之后称为电阻放电类型的再生功能)的变流器中，通过使用具有足够大容量的再生电阻(REG，regeneration resistor)可应付由再生电能所造成的DC链路电压的变化。然而，大容量的再生电阻具有用来承受所产生的大量热量的较大体积。因此，考虑到再生电阻的安装空间及其制造成本，期望可以使用具有尽可能小容量的电容。

此外，在具有电源返回类型的再生功能的变流器中，诸如双层电容等的用来存储再生电能的大容量电容具有较大的体积。考虑到电容的安装空间及其制造成本，期望可以使用具有尽可能小容量的再生电容。

在图6所示的用来驱动机器人30的伺服电机的伺服放大器10中，用来应付再生电能的变流器的负载会随着伺服电机的加速/减速的频率的增大以及随着连接到变流器的逆变器(附加轴)的数量的增大而增大。为了应付这种现象，伺服放大器不得不具有高成本和大尺寸等额外性能，使得很难提供充分满足用户需求的伺服放大器。

发明内容

本发明提供了一种伺服放大器，基于伺服放大器的使用条件，而将这种伺服放大器设置为具有最优类型的再生功能以及最优的再生容量。

本发明所提供的一种伺服放大器用来驱动机器人的伺服电机以便使用来自电源的电能执行操作。这种伺服放大器包括：可变化的变流器，其与电源相连，并且基于机器人所执行的操作的条件，选择性地作为具有将伺服电机中产生的再生电能返回到电源的功能的变流器或是作为具有通过电阻放电再生电能的功能的变流器；以及多个逆变器，其与上述变流器和伺服电机电连接。

上述变流器可具有当紧急停止时或是当关闭电源时将连接变流器与逆变器的DC链路的电压进行快速地放电的功能。

上述变流器可具有基于从多个逆变器接收到的关于伺服电机的供电运行或再生运行的信息来确定再生功能的开始和结束的功能。

当用来连接变流器与逆变器的DC链路的电压达到预定值时，上述变流器可开始再生功能，并且与电源的相位同步地执行再生电能的切换。

上述变流器可执行再生电能的切换，从而将用来连接变流器与逆变器的DC链路的电压保持在预定值。

附图说明

图1a和图1b是根据本发明的伺服放大器的示意性方框图，其中每个伺服放大器都包括具有电源返回类型的再生功能的变流器以及与该变流器相连的多个逆变器；

图2是根据本发明将变流器和逆变器设置成一个单元的实施例的示意图；

图3是根据本发明将变流器和逆变器分别独立地设置的实施例的示意图；

图4a和图4b是根据本发明的伺服放大器的示意性方框图，其中每个伺服放大器都包括选择性地作为具有电源返回类型的再生功能的变流器或是作为具有电阻放电类型的再生功能的变流器的变流器、以及与该变流器相连的多个逆变器；

图5是示出了根据本发明的快速放电DC链路电压的函数的曲线图；

图6是传统的伺服放大器的方框图；以及

图7是根据现有技术的电机驱动设备的方框图，其中具有电阻放电类型的再生功能的变流器与多个逆变器相互连接。

具体实施方式

通过参考图1至图5来说明本发明的实施例。在这些附图中，使用相同的附图标记表示具有与图6和图7所示的现有技术中的元件相同或等同功能的元件。

图1b示意性地示出了一种整体型的伺服放大器，其中设置了具有电源返回类型的再生功能的变流器以及与该变流器电连接的多个逆变器，变流器和逆变器设置为形成一个单元。图1a示出了分立型的伺服放大器，其中单独地设置了具有电源返回类型的再生功能的变流器以及与该变流器电连接的多个逆变器。

在图2中示出了整体型的伺服放大器的实施例。将具有电源返回类型的再生功能的变流器11和逆变器12都固定在单块热沉17之上。通过DC链路16使得变流器11与逆变器12彼此之间电连接。例如，通过短路条(short bar)或固定螺杆来形成DC链路16。在热沉17上设置了功率半导体15。将变流器11和逆变器12的单元设置在热沉17之上，并且将功率半导体15设置在变流器11和逆变器12的单元与热沉17中间。

在图3中示出了分立型伺服放大器的实施例。在各个外壳中分别容纳了具有电源返回类型的再生功能的变流器11以及两个逆变器12-1和12-2，并且通过DC链路16将分别容纳在各个外壳中的变流器11以及两个逆变器12-1和12-2彼此之间电连接。可独立地提供变流器11以及两个逆变器12-1和12-2并且将它们设置在各个热沉之上。

图4a和图4b示意性地示出了一种伺服放大器，其中基于由图1a和图1b所示设置中的机器人将要执行的操作的条件，将变流器选择性地作为具有电源返回类型的再生功能的变流器或是作为具有电阻放电类型的再生功能的变流器。

在靠近电源的地方不存在用来消耗返回到电源的再生电能的任何电气装置的情况下，或是再生电能超出了电源容量的情况下，优选地不使用具有电源返回类型的再生功能的变流器，而使用具有电阻放电类型的再生功能的变流器。

如上所述，本发明提供了一种伺服放大器，用来控制机器人的伺服电机以使其具有合适类型的再生功能和具有应付再生电能的合适容量。然而，存在可能，由于上面提到的不可预见的原因，所产生的再生电能超出了电源的允许容量。因此，提供了当生成了过多的再生电能时可快速地放电DC链路16上电压的设置。图5示出了当快速地放电DC链路电压时DC链路电压的变化。对于正常操作下的电机，通过电阻消耗在电机减速时产生的再生电能以执行电阻放电#1。通过电阻放电#2消耗由于电机的紧急停止或电源关闭而产生的大量再生电能，从而快速地降低DC链路电压。

在具有电源返回类型的再生功能的变流器11的例子中，当DC链路电压达到了预定值时，变流器11开始将再生电能返回到电源，并且与电源的相位同步地执行再生电能的切换。因而，在无论伺服电机如何减速都始终执行DC链路电压的切换的例子中，可以防止切换设备的不必要毁损。

在这种情况下，变流器11可基于从逆变器12接收到的有关伺服电机的供电运行或再生运行的信息来确定再生功能的开始及结束。

PWM变流器可以被用作变流器11。可以在供电运行中和执行再生功能中执行切换，从而将DC链路电压控制为常数。

可使用现有器件构成变流器11、逆变器12、以及用来控制变流器11和逆变器12的控制器等硬件。

如上所述，根据本发明，提供了一种适用于机器人的伺服放大器，该伺服放大器基于机器人的操作条件被选择性地设置成具有最优类型的再生功能以及具有应付伺服电机中产生的再生电能的最优容量，以避免使用过高规格的变流器，从而实现了器件的体积缩小、成本降低、以及能量节省。

Claims (5)

1.一种伺服放大器，用于驱动机器人的伺服电机以使用来自电源的电能执行操作，所述伺服放大器包括：

可变化的变流器，与所述电源相连，并且基于所述机器人所执行的操作的条件，选择性地作为具有将伺服电机中产生的再生电能返回到电源的再生功能的变流器或是作为具有通过电阻放电再生电能的再生功能的变流器；以及

多个逆变器，与所述变流器和所述伺服电机电连接。

2.根据权利要求1所述的伺服放大器，其中，

所述变流器具有当紧急停止时或是当关闭所述电源时将连接所述变流器与所述逆变器的DC链路的电压快速地放电的功能。

3.根据权利要求1所述的伺服放大器，其中，

所述变流器具有基于从所述多个逆变器接收到的关于所述伺服电机的供电运行或再生运行的信息来确定再生功能的开始和结束的功能。

4.根据权利要求1所述的伺服放大器，其中，

所述变流器在连接所述变流器与所述逆变器的DC链路的电压达到预定值时开始再生功能，并且所述变流器与所述电源的相位同步地执行再生电能的切换。

5.根据权利要求1所述的伺服放大器，其中，

所述变流器执行再生电能的切换，从而连接所述变流器与所述逆变器的DC链路的电压保持在预定值。

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